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建筑节能并行设计研究

摘要：设计方法优劣将影响设计效率，建筑节能并行设计可提升建筑节能设计效率。本文在分析建筑节能设计信息模型基础上，提出建筑节能并行设计微循环模型，分析其设计过程分解和修正，并提出适适用于建筑节能并行设计回溯搜索策略。
关键词：建筑节能　并行设计 搜索策略
Abstract For the design, the method affects the efficiency. The concurrent design will enhance the efficiency of designing energy-efficiency buildings. On the basis of analyzing the information model of the energy-efficiency building, this paper puts forward the Micro-Design-Cycle of the energy-efficiency building, analyses it’s decomposition process and correction process, and establishes the recursive searching strategy for the concurrent design of the energy-efficiency building.
Key words energy-efficiency building, concurrent design, searching strategy
　　相关研究表明：全球能源消耗中，45%用于满足建筑物取暖、制冷和采光等要求，5%用于建筑物建造过程。建筑设计方案是否满足节能设计要求在很大程度上决定了其整个寿命周期内是否达成建筑节能目标，经过设计降低建筑能耗，可降低全球能耗，有利于保持整个生态系统稳定。节能建筑设计和评价密不可分，节能评价是实现建筑节能设计必需手段，节能建筑设计要求建筑设计人员在设计阶段对所设计建筑进行建筑能耗分析，以评价建筑方案是否节能。
　　1 建筑节能设计方法现实状况
　　现在常见建筑节能设计方法有两种：按要求性指标设计和按性能性指标设计。按要求性指标设计是指建筑物体形特征和围护结构热工性能等均按相关建筑节能标准进行设计。性能性指标由建筑热环境质量指标和能耗指标两部分组成，按性能性指标设计是指在同时满足建筑热环境质量指标和能耗指标前提下，设计人员可自行确定建筑物体形特征和围护结构热工性能等具体技术参数。

　　按要求性指标设计使设计人员摆脱了复杂计算分析，在确保工程设计合理性和成功方面有重大作用，但因为确定要求性指标关键考虑普遍情况，而每一个工程全部有其不一样于普遍情况特殊性，所以要求性指标对适用范围内一个具体工程往往不是最好，即按要求性指标极难进行优化设计，同时按要求性指标设计轻易阻碍新技术应用和压抑设计人员发明性。按性能性指标设计使建筑节能设计标准含有充足灵活性，为新技术采取和具体工程项目标最优化发明了条件。其信息流图1所表示，图中各个设计信息对应于建筑物体形特征设计、围护结构热工性能等设计内容。

　　按性能性指标设计需要对所设计建筑进行能耗分析，进而评价所设计建筑是否节能，建筑能耗计算方法和节能评价方法选择成为这种设计方法关键内容。中国对建筑节能评价研究相对缺乏，现在建筑节能评价通常采取比较建筑能耗计算值和相关节能标准指标值方法，建筑能耗计算值则经过对应能耗分析软件取得，若评价结果表明所设计建筑并不节能，则需要设计人员凭借个人设计经验对设计方案进行反复修改。国外已基础处理建筑节能设计标准灵活性和建筑节能评价方法问题，初步实现了建筑围护结构节能平衡分析，但设计信息和评价信息之间缺乏沟通，还未实现建筑设计过程动态评价和建筑设计全局优化。
　　可见，按性能性指标进行建筑节能设计存在以下缺点：(1)过于依靠能耗分析软件。（2）过于依靠设计人员设计经验。实际上，现在得到权威结构确定能耗分析软件数量不多且推广程度不大，就能耗分析软件本身而言，仍存在提升运行速度、改善人机界面等问题；而设计人员经验需要长久积累。鉴于现有建筑节能设计方法不足，探索新设计方法成为肯定，本文拟采取并行设计思想，提出建筑节能并行设计方法，实现设计过程和评价过程交叉、并行及协调，其信息流图2所表示。
　　2 建筑节能并行设计理论基础
　　2.1 建筑节能设计信息模型
　　信息科学是以信息为研究对象、信息运动规律为研究内容，把扩展人信息功效作为研究目标科学[1,2]。依据性质来分类，信息可分为语法信息、语义信息和语用信息。语法信息指事物运动状态和方法；语义信息指事物运动状态及状态改变方法含义；语用信息指事物状态及状态改变方法效用。
　　设计是为实现一定目标而寻求和选择满意备选方案活动，它反应出设计对象状态，所以建筑节能设计可看成一个语法信息，节能设计过程就是信息运动过程，信息运动规律可应用于设计过程中。信息科学研究信息运动规律包含信息产生、信息提取、信息再生、信息施效等四类，其通常模型图3所表示。

　　在建筑节能并行设计中，设计对象是指节能设计对象，即建筑平台；设计主体为设计人员和计算机软、硬件系统；设计对象本身所包含设计信息即为产生信息；信息提取过程是指设计主体从设计对象提取试探性设计所需信息过程；信息处理过程是设计主体依据试探性设计信息进行节能评价过程；设计主体依据设计目标和信息处理结果产生决议信息，这一过程即为信息再生过程；设计主体依据决议信息进行确定性设计过程就是信息施用过程；作用于设计对象确实定性设计信息即为受用信息。信息提取、信息处理、信息再生、信息施用由设计主体完成。
　　2.2 并行设计理论
　　并行设计属于设计理论和方法学范围[3,4,5]，其本身也是设计理论和方法学研究对象。并行设计强调产品开发各步骤之间实现最大程度交叉、并行及协调，其实质就是把传统“设计——评价——再设计”大循环转变为数次“设计——评价——再设计”小循环，方便尽可能早地发觉设计中存在问题。工程设计本质上是次序性、交互性，所谓“并行”并不是指同时进行，而是指逐步、交替地实现设计、工艺、管理等活动，在设计阶段每一步骤全部最大可能地考虑到相关后续步骤约束，由此，并行设计所说“并行化”应该了解为经过对产品设计对象和设计进程精心分解，达成有效协同实施开发周期中很多子活动、子任务目标。

　　从信息科学角度看，设计过程可分成份析、综合、评价三个过程组成，其通用模型图4所表示。分析作用是依据事物功效需求，把客观世界简化为模型，把问题分解到能够处理程度；综合作用是把元素组合成一个能工作整体，提供多个备选方案；评价作用是检验设计方案是否能实现既定目标。分析和评价全部需要接收评价产生反馈信息，设计者反复回到设计过程起点，完善和改善设计方案，直到满足设计需求。
　　设计过程从总体上来说是次序性，但设计过程可分成多个阶段，各阶段包含若干子任务，每个子任务分别工作于设计对象不一样方面。设计过程中不一定要等全部子任务完成后才开始后续设计活动，假如有和之相适应描述设计对象方法，使得提前进行下游步骤子任务仍然有她们所需完整信息，那就完全有可能把子任务按其处理对象重新组成部分相互相对独立工作循环，并使这些工作循环在一定程度上并行进行。

　　文件[3]开发微循环模型能够实现上述设计并行要求，其基础思想是把工程设计过程分解成一系列设计微循环过程，图5所表示。在每个微循环中，依据已知信息内容能够同时进行从概念设计到具体设计中部分或全部活动步骤。微循环模型是一个宏观上并行、微观上次序机制。将设计对象分解成子对象，宏观上并行机制使得设计人员能够同时工作于设计对象不一样方面，从而缩短了整个设计周期；而微观上次序机制使得从概念设计到具体设计各个具体活动步骤仍然有完整信息而得以继续进行。
　　3 建筑节能并行设计过程
　　3.1 建筑节能并行设计过程分解
　　建筑节能并行设计设计分解应依据建筑节能设计通常规律来进行。综合考虑建筑节能评价17个分项指标[6]，将建筑节能并行设计过程分解成以下四个步骤：
　　① 建筑所在地选择。采暖度日数、空调度日数、采暖期太阳总辐射量、空调期太阳总辐射量等4个室外气象特征固化于建筑所在地，在建筑节能并行设计中，当建筑所在地确定后，这4个参数即为常量，无需进行节能评价。
　　② 体型特征设计。体型特征设计内容包含：极限体型系数设计、体型完善系数设计、建筑朝向设计等。为方便用户输入，建筑节能并行设计软件实现时可将3个体型特征输入转换为输入建筑长度、宽度、层高、层数和朝向。
　　③ 窗墙比设计。窗墙比设计是指建筑前向、后向、左向、右向窗墙比设计。建筑节能并行设计软件实现时可将前向、后向、左向、右向窗墙比输入分别转化为窗户宽度、高度和窗户数量输入。
　　④ 构件类型设计。构件类型设计内容包含：屋面传热系数、热惰性设计，外墙传热系数、热惰性设计，窗户传热系数、吸收系数设计。
　　在设计分解基础上，建立并行设计微循环模型图6所表示。

3.2 建筑节能并行设计过程修正
　　在建筑节能并行设计中，“设计——评价——再设计”大循环被分解成多个“设计——评价——再设计”小循环，各个小循环设计通常不能一次性完成，而是需要依据节能评价结果修正设计，所以建筑节能并行设计过程是试探性、循环过程。
　　小循环中，窗墙比设计修正和构件类型设计修正相对复杂。为提升建筑节能并行设计效率，窗墙比设计修正应处理东向、南向、西向、北向窗墙比设计修正次序问题；构件类型设计修正应处理外窗、外墙、屋面设计修正次序问题。本文依据建筑节能综合指标随窗墙比、构件类型改变率大小，分别对窗墙比设计和构件类型设计修正次序进行排序。分析改变率采取建筑模型关键参数以下：建筑面积10×10m2，层高2.8m，外墙传热系数为1.54W/( m2．K)，屋面传热系数为0.93 W/( m2．K)，窗户传热系数为3.1 W/( m2．K)，窗墙比为0.35，通风次数为1次/h。能耗分析工具采取DeST软件。

　　建筑节能综合指标耗电量随窗墙比改变图7～9所表示。建筑整年耗电量随窗墙比改变率从大到小依次为西向、东向、北向、南向；耗热量随窗墙比改变以南向最为显著；耗冷量随窗墙比改变南、北向相差不大。对于住宅建筑，东向、西向山墙通常不开窗或所开窗属于厨房等不控温房间，窗墙比设计修正优先修改南向窗墙比，然后是北向窗墙比，接着是西向、东向窗墙比。
　　建筑节能综合指标随外墙和屋面传热系数改变图10～12所表示，耗热量指标随外墙传热系数改变率较大；整年耗电量、耗冷量指标随外墙传热系数和屋面传热系数改变率基础一致。考虑窗户是建筑围护结构中热工性能最微弱步骤，其传热系数通常远大于外墙和屋面传热系数，构件类型设计修正时应优先修改窗户类型，其次修改外墙类型，最终修改屋面类型。
　　4 建筑节能并行设计过程搜索策略[yjy1]微循环微循环
　　因为对建筑节能并行设计过程进行了分解，小循环中建筑节能评价存在评价信息不完全[7]情况，本文采取缺省参数替换不完全信息。设计过程中，试探性设计方案由实际设计输入参数和缺省参数组成。因为缺省参数选择含有随机性，若没有有效搜索策略，将会产生试探性设计方案组合爆炸，从而降低建筑节能并行设计效率。
　　常见搜索策略有盲目搜索和启发式搜索两类，盲目搜索包含回溯搜索、广度优先搜索、深度优先搜索等。盲目搜索按预定控制策略进行搜索，搜索过程中取得中间信息不用来改变控制策略；启发式搜索需要有和问题本身相关信息。所以，盲目搜索不包含语义、语用层次信息，适合于语法层次信息搜索，而启发式搜索则适合于语义、语用层次信息搜索。回溯搜索策略是一个试探性搜索策略，其基础思绪是：先选择一个规则，然后应用这个规则；假如它不能求得解答或离解答越来越远就舍弃这个规则而另选一个规则，经过若干次回溯，终究能够得到解答。
　　衡量搜索策略性能准则通常有三个：
　　① 完备性。即只要问题有解，在搜索策略控制下就一定能找到解。
　　② 尽可能避免无用搜索。即增强搜索目标性，尽可能避免产生及考察无用选项。
　　③ 控制开销小。即要求搜索策略实现简单，选择及调度可用知识开销尽可能小。

　　本文拟采取回溯搜索策略。为提升回溯搜索效率，在分析建筑节能评价特点基础上，提出以两个极端情况作为回溯搜索规则，从而大大降低规则数量，图13所表示。所谓极端情况，就是最不利情况和最有利情况。最不（有）利情况是指选择最不（有）利于节能评价指标，如：选择墙体类型缺省参数时，传热系数最大（小）选择项即为最不（有）利情况。采取极端情况作为规则回溯搜索策略完全符合衡量搜索策略性能三个准则，能够避免节能评价指标组合爆炸，提升建筑节能并行设计效率。
　　图13建筑节能并行设计过程描述以下：
　　① 设计人员输入第i步设计设计参数；
　　② 按最不利情况选择缺省参数，节能评价程序对此时试探性方案进行评价；
　　③ 若试探性方案达成用户要求节能率，则后续设计参数可由设计人员自行输入，无需再进行节能评价；
　　④ 若试探性方案节能率达不到用户要求，则缺省参数按最有利情况重新选择，节能评价程序对此时试探性方案重新评价；
　　⑤ 若此时节能率达成要求，则进行第i+1步设计，如此循环，直至设计结束；
　　⑥ 若此时节能率达不到要求，则需设计人员修正第i步设计参数，反复上述过程。若修正设计参数后仍无法达成要求节能率，则必需调整节能率大小。
　　5 结语
　　（1） 对建筑设计过程进行分解，提出建筑节能并行设计微循环模型，实现节能设计和节能评价并行。
　　（2） 经过比较建筑节能综合指标随窗墙比、构件类型改变率大小，指出窗墙比设计和建筑构件设计时修正次序。
　　（3） 采取以极端情况为规则回溯搜索策略，可避免试探性设计过程设计方案组合爆炸，有利于提升设计效率。